Un genoma straordinario: il mais

Crisi climatica, aumento delle materie prime e diminuzione delle rese: i motivi della crisi del settore maidicolo sono tanti e non di facile soluzione. Una cosa però non cambia e può venirci in aiuto per rilanciare la produzione, un Dna estremamente flessibile

Un genoma straordinario: il mais - Plantgest news sulle varietà di piante

Il mais insieme al frumento e al riso è uno dei cereali più coltivati al mondo (Foto di archivio)

Fonte immagine: © Piman Khrutmuang - Adobe Stock

Serata film e divano? Non sarebbe completa senza una confezione di popcorn fumanti. Gita in montagna e tappa al rifugio? Non sarebbe entusiasmante se alla fine non ci fosse un bel piatto di polenta con il sugo. Passeggiata a una fiera medievale? Non ci sarebbe la stessa atmosfera senza una pannocchia grigliata.

 

Tutte queste attività, all'apparenza molto diverse, hanno in comune il mais: una pianta che ci permette di avere abitudini così familiari ma che è al contempo uno dei cereali più coltivati al mondo.

E il segreto di tanta popolarità si trova nel suo corredo genetico particolare.

 

Il mais in Italia: vecchie crisi e nuovi slanci

Attualmente in Italia la situazione maidicola non è delle più rosee, come testimoniano gli allarmi lanciati da diverse organizzazioni agricole.

Un esempio è quello che arriva dalla Coldiretti di Mantova che ha registrato una diminuzione della resa in granella del 60-70% rispetto all'annata 2021 (anche questa però non troppo fortunata). Un vero e proprio crollo di cui le motivazioni sono da cercarsi nell'aumento dei prezzi di carburante e fertilizzanti e nelle problematiche sempre più evidenti legate alla crisi climatica.

 

L'Italia patisce anche la concorrenza di altri Paesi europei che utilizzano da tempo mais transgenico riuscendo a tenere il passo con l'andamento climatico e le rese.

 

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Sono proprio le rese il perno su cui il miglioramento genetico dovrà lavorare fin da subito per ottenere un miglior adattamento alle condizioni ambientali e una costante, se non maggiore, redditività ai produttori.

 

Sia chiaro: non si tratta di creare un mais "Frankenstein" in laboratorio ma bensì di sfruttare a nostro favore le proprietà del suo corredo genetico particolarmente ricco di variabilità e quindi anche di potenziale innovativo.

 

E non dimentichiamo che questo cereale è già stato oggetto di numerosi miglioramenti genetici attuati dall'uomo, che hanno reso il suo frutto - ovvero la sua spiga - un vero e proprio gigante vegetale unico nel suo genere.

 

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Il mais (Zea Mais spp. mays L.), detto anche granturco o granoturco, è un cereale primaverile estivo, destinato sia all'alimentazione umana che a quella animale. È usato anche per altri utilizzi, dalla produzione di biocarburanti e di bioplastiche a quella di tisane e olii per la pelle.

 

Il genere Zea comprende una serie di forme spontanee chiamate teosinti, che altro non sono che i parenti selvatici del mais, originari di zone come Guatemala e Messico. 

 

Le varietà di teosinti, incrociandosi con il mais attuale da essi derivati, danno origine a ibridi più o meno fertili perché sono geneticamente affini. Ricordiamo infatti che ibridi nati da due specie diverse risultano non fertili: molto noto è il mulo, un incrocio nato da un cavallo e un asino.

 

Le differenze tra teosinte e mais sono molto evidenti sia nel portamento che nell'infiorescenza femminile cioè la spiga.

 

Differenze tra teosinte e mais moderno

Differenze tra teosinte e mais moderno

Fonte foto: agraria.org

 

Il mais venne domesticato dall'uomo 10mila anni fa in Messico tramite una selezione massale fenotipica: i coltivatori sceglievano (in termini tecnici si dice "selezionare") da una popolazione un numero elevato di piante con caratteristiche vantaggiose, come ad esempio una spiga molto produttiva.

Da queste piante i coltivatori mescolavano i semi prodotti per creare una nuova popolazione e selezionarla ulteriormente: da questo lavoro si ottenne un'ampia diversità di specie autoctone.

 

La selezione massale ha portato ad ottenere negli anni un'ampia diversità di specie autoctone

La selezione massale ha portato ad ottenere negli anni un'ampia diversità di specie autoctone (Foto di archivio)

Fonte foto: © saratm - Adobe Stock

 

Intorno al 1600, con l'intensificazione degli scambi commerciali tra il Vecchio Mondo e le Americhe, il mais divenne una coltura largamente coltivata nei Balcani per via del clima favorevole.

Poco dopo la coltura fu anche introdotta in Italia e coltivata nelle zone padane, rimanendo però per lungo tempo destinata solamente all'autoconsumo contadino e sostituendo colture come il miglio, il panico e il sorgo rosso.

 

È però dalla metà del ventesimo secolo che il mais divenne una coltura intensiva, spostandosi da zone marginali poco irrigate e con produzioni esigue a zone altamente irrigate con produzioni molto elevate.

 

Questa profonda modificazione della maiscoltura avvenne grazie all'introduzione degli ibridi.

 

Le varietà ibride più famose coltivate in Italia furono: Biancoperla Montefumo, Biancoperla Silea, Marano Vicentino, Sponcio e Storo.

 

Gli ibridi: che cosa sono e perché sono importanti

Per il maiscoltore è fondamentale avere piante stabili e performanti in termini di resa.

Queste caratteristiche si ottengono utilizzando gli ibridi, ovvero piante con qualità fisiologiche superiori ai genitori di origine perché possiedono quello che viene chiamato vigore ibrido.

 

Ma come si ottengono questi ibridi? L'uomo incrocia piante della stessa specie per ottenere delle linee pure che abbiano con carattere di interesse, per esempio un numero elevato di semi per spiga. Incrociando ulteriormente le linee pure i breeder ottengono piante altamente efficienti, rispetto alle linee pure di partenza, che vengono chiamate ibridi F1.

 

Schema di esempio di un incrocio a due vie per ottenere un ibrido semplice

Schema di esempio di un incrocio a due vie per ottenere un ibrido semplice

Fonte foto: AgroNotizie

 

Se da un lato gli ibridi F1 hanno indubbi vantaggi produttivi dall'altro non conviene moltiplicarli per seme.

 

Partendo infatti dagli ibridi F1 si avrà nelle generazioni successive un più alto numero di caratteri negativi che si sono "trascinati" nel Dna durante la pressante selezione genetica. Si avranno così esemplari con troppi problemi per essere coltivati con successo, per esempio, piante con altezze diverse, spighe meno produttive, suscettibilità a diverse malattie etc.

 

Gli ibridi F1 sono stati creati non solo in mais ma anche in molte altre specie come nel peperone e nel pomodoro.

 

Lo straordinario vigore ibrido del mais

Il miglioramento genetico nel mais ha perciò creato ibridi straordinari mai ottenuti in nessun'altra pianta.

Come mai? Il successo è dovuto all'enorme variabilità genetica di questa coltura, testimoniata dai numerosi programmi di breeding svolti negli anni. 

 

Variabilità genetica e intensa selezione hanno permesso di raggiungere diversi traguardi, sia sui caratteri qualitativi, come la modificazione delle proteine di riserva nel seme e la loro pigmentazione, sia sui caratteri quantitativi quali precocità di fioritura, resistenza al freddo, lunghezza della spiga, precocità di maturazione, tempo di riempimento della cariosside più lungo, resistenza alle malattie fogliari, migliore efficienza fotosintetica.

 

Differenze tra le due linee pure A e B e l'ibrido derivante dall' incrocio

Differenze tra le due linee pure A e B e l'ibrido derivante dall' incrocio

Fonte foto: agronomi forestali Venezia

 

I breeder sono riusciti a raggiungere questi obiettivi utilizzando le tecniche di incrocio convenzionali (incroci, mutagenesi, vigore dell'ibrido) utilizzate per tutte le piante agronomicamente utili.

 

Vediamo perciò come negli ibridi si siano apportate piccole ma importanti modifiche che hanno reso il mais una delle colture più coltivate al mondo e che potrebbero essere una chiave per il suo rilancio.

 

Produttività della granella

Si sa, l'uomo ha da sempre cercato di migliorare le piante per aumentarne la produzione, un'impresa non facile visto che la resa è influenzata da complessi fattori morfologici, fisiologici e di adattamento all'ambiente esterno.

 

Per capire bene di che cosa stiamo parlando dobbiamo fare un breve ripasso di fisiologia: nelle piante esiste il cosiddetto rapporto source/sink (fonte/pozzo), ovvero il rapporto tra zone che producono zuccheri (cioè i source) e zone che consumano o stoccano questi zuccheri (cioè i sink).

 

Per fare un esempio pratico: i frutti sono i sink perché per crescere attirano a sé gli zuccheri, mentre le foglie sono i source ovvero coloro che producono gli zuccheri necessari al sostentamento dell'intera pianta. 

 

L'equilibrio del rapporto source/sink influenza la produttività finale del mais: se non c'è equilibrio la resa sarà scarsa.

Ricerche svolte su questo tema confermano infatti che la produttività è influenzata dall'efficienza dei source che permette un'adeguata crescita dei sink.

 

Uno studio pubblicato su Crop Science ha evidenziato come il peso totale della cariosside (il sink) non sia influenzato dalla velocità con cui cresce, come uno potrebbe immaginarsi, ma bensì dall'effettivo periodo di accumulo di zuccheri dopo la fioritura. Più il periodo di accumulo sarà lungo, maggiore sarà il peso finale della cariosside, e quindi maggiore sarà il peso in granella.

 

Un altro studio svolto all'Università dell'Illinois ha sottolineato come la produttività è dipendente sia dal genotipo che dalla disponibilità di azoto: difatti la carenza di questo elemento minerale limiterebbe l'attività delle foglie (i source) che indebolirebbe di conseguenza la crescita dei sink traducendosi in un numero inferiore di cariossidi per pianta.

 

Nel mais il miglioramento genetico è stato utilizzato soprattutto per aumentare l'efficienza dei sink, ovvero delle cariossidi, tanto che solamente nel secolo scorso la resa è aumentata di 8 volte grazie alla coltivazione con gli ibridi.

 

Questo importante aumento della resa, e la relativa diminuzione del costo della semente, si è potuto ottenere incrociando più di due linee pure (incrocio a più vie) selezionate sempre per specifici caratteri quantitativi quali lunghezza della spiga, numero di file e morfologia dei semi.

 

Possiamo vedere ancora oggi i risultati ottenuti da questi incroci multipli nei nostri campi: oltre alle rese elevate rispetto ai teosinti si hanno spighe enormi rispetto ai loro antenati.

 

Recentemente però, nel mais, il trend è cambiato: infatti si punta a migliorare i source, ovvero ad aumentare l'attività di assimilazione della pianta per poter mantenere se non aumentare le rese.

 

Per raggiungere questo obiettivo si è lavorato sulla fonte fotosintetica per eccellenza: la foglia.

 

Portamento delle lamine fogliari

Il numero e la disposizione delle foglie sopra e sotto la spiga principale sono due fattori fondamentali perché determinano la struttura della pianta e influenzano l'efficienza fotosintetica che a sua volta influenza la resa complessiva. 

Come molti altri processi fisiologici, anche questi sono controllati da geni specifici.

 

Nel mais i breeder hanno modificato il numero e la disposizione delle foglie per poter influenzare il periodo di fioritura e di conseguenza la raccolta.  

 

Il numero e la disposizione delle foglie assieme ad un allungamento del periodo di riempimento influenzano la resa complessiva

Il numero e la disposizione delle foglie assieme ad un allungamento del periodo di riempimento influenzano la resa complessiva

Fonte foto: AgroNotizie

 

Per il numero di foglie le proteine responsabili sono ub2, ub3 e tsh4. Lavorando su queste proteine i ricercatori hanno visto che incidono sul numero di foglie e sulla loro velocità di crescita rendendo quindi il periodo di fioritura più precoce o più tardivo.

 

Sempre lo stesso studio ha poi evidenziato come i geni che controllano il numero di foglie e la fioritura si influenzino fra di loro. I geni presi in esame sono stati Vgt1 e Zmcct che sono stati inseriti in un programma di breeding ottenendo ibridi di mais con meno foglie ma fioritura molto precoce rispetto a piante di mais normali.

 

Per la disposizione delle foglie gli studi hanno evidenziato che questo carattere ha una rilevanza importante sulla produttività perché a seconda di come sono orientate la fotosintesi sarà più o meno efficiente.

 

Diverse prove in campo hanno usato mais con foglie molto erette e registrando che la fotosintesi diventa più o meno efficiente in base alla larghezza della fila in cui si trovano le piante. Questo probabilmente perché lo spazio di crescita influenza la quantità di luce intercettata.

 

Un altro studio invece si è incentrato su come modificare la posizione della foglia e come questa modifica possa influenzare la produttività finale e lo ha fatto andando a modificare una piccola parte presente in alcuni tipi di foglie: la ligula.

 

La ligula è un tessuto responsabile dell'angolo fogliare: le piante che ne sono sprovviste presentano foglie più strette e con posizione molto più verticale rispetto alle piante che invece ce l'hanno.

Le prove in campo hanno messo a confronto mais con foglie provviste di questo tessuto con mais ibridi sprovvisti.

 

lLa ligula è un tessuto spesso responsabile dell'angolo fogliare

La ligula è un tessuto spesso responsabile dell'angolo fogliare (Foto di archivio)

Fonte foto: © Valery Prokhozhy - Adobe Stock

 

I risultati sono stati che le piante senza ligula hanno una produzione in granella maggiore perché le foglie rimango più verticali, l'incidenza solare aumenta e si ha una maggiore efficienza fotosintetica. Inoltre, l'alta produttività si è ottenuta lo stesso con densità di impianto elevata e uno spazio interfilare molto ridotto perché le foglie per la loro disposizione non si ombreggiano a vicenda.

 

Quale sarà il futuro per il miglioramento genetico del mais?

Sempre di più il miglioramento genetico dovrà concentrarsi sul mantenimento delle rese e l'adattamento ai cambiamenti climatici per garantire un reddito adeguato ai maiscoltori e un'alta qualità della granella.

 

È innegabile che la crisi del settore abbia molteplici ragioni e non di facili soluzioni. Tuttavia, abbiamo visto quanto materiale di partenza sia disponibile e l'ampio potenziale del miglioramento genetico - e in questo articolo ne abbiamo dato solo una visione parziale perché coprire tutte le caratteristiche del mais richiederebbe un vero e proprio trattato accademico.

 

L'enorme ricchezza genetica fa sì che apportando anche solo piccole modifiche a un così complesso organismo vegetale, sia possibile ottenere la chiave per il rilancio del mais in una nuova ottica di produzione e redditività.

Autore: Chiara Gallo

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